高可靠線型無線傳感網優化研究

郭良 韓韌 馮翔

摘 要：分析IEEE802.15.4自組無線傳感網，以解決貨運列車線型傳感網系統低功耗、高可靠需求。基于REER協議中通信代價計算方法，利用IEEE802.15.4網絡中RSL和剩余能量情況進行數據高可靠傳輸路徑規劃，實現降低功耗、提高可靠性目的。仿真驗證表明：優化后的路由選擇算法可降低列車傳感網的功耗以及丟包率，提高線型傳感網的生命周期和可靠性，與傳統線型無線傳感網對比表現出很大優勢，對貨運列車線型無線監測網絡設計極具參考價值。

關鍵詞：高可靠；線型網絡；IEEE802.15.4；低功耗；多路徑

DOI：10.11907/rjdk.172802

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0195-03

Abstract：IEEE802.15.4 self-organized wireless sensor network is analyzed to meet the low power consumption and high reliability requirements of the the freight train line monitoring sensor network system. Based on the REER protocol communication cost calculation method， RSL in IEEE802.15.4 network and residual energy situation，we make the high reliability data transmission path to reduce power consumption and improvereliability. According to the simulation test， the optimized routing algorithm can reduce the power consumption of the entire train sensor network and packet loss rate， and improve linear sensor network lifetime and reliability. It far outweighs the traditional linear wireless sensor network for its value in freight train line wireless monitoring network design.

Key Words：highly reliable； linear network； IEEE802.15.4； low power； multipath

0 引言

物流裝備正朝著智能化方向發展，行進貨運列車狀態監測對列車結構疲勞程度評估、預防事故發生、貨物追蹤有著重要意義。鐵路運輸系統沒有成熟的低功耗、高可靠自組傳感網設計方案，基于leach協議改進的傳統線型無線傳感網仍存在許多難以解決的弊端，貨運列車要實現各部位無線監測面臨以下問題：①采用無線通信的監測系統，由于通信能耗很大，很難解決能量供應難題；②傳統無線傳感網無法滿足鐵路行業高可靠性要求，存在數據丟失嚴重、組網不靈活等問題。因此，線型傳感網降低丟包率和能耗，對提高系統可靠性、延長網絡生命周期有著重要意義。

隨著物聯網技術的發展，近年出現的IEEE 802.15.4標準因其物理層的能量高效性和魯棒性，以及介質接入控制（media access control，MAC）子層的靈活性[1]，非常適合工業無線傳感器網絡應用。與其它無線通信技術相比，具有復雜度低、布線成本極低、功耗很小及較高的抗干擾與多徑時延干擾能力，因此IEEE 802.15.4標準成為工業無線傳感器網絡領域非常重要的通信協議。本文首先對IEEE802.15.4網絡標準進行研究，通過實驗分析得出無線監測網絡中存在的問題，然后針對問題進行剖析并查閱相關資料，結合REER無線傳輸算法模型進行改進，即參照IEEE802.15.4無線網絡節點剩余能量和RSL[2]等因素，加入分層策略，得出最終優化方案。與傳統線型無線傳感網進行仿真，對比得出改進算法的優勢，為貨運列車線型無線監測網絡設計提供參考方案，見圖1。

1 相關工作

文獻[3]介紹了無線傳感網的可靠性建模，分別從信道質量、傳感點剩余能量、信噪比、跳數、節點緩存等方面進行數學建模，分析得出各算法的優缺點。文獻[4]基于節點能量、節點緩存、信噪比建立可靠性計算模型。文獻[5]根據信道質量、跳數、期望可靠性計算出保證至少一個原始數據包到達目的節點所需的數據包拷貝數，以較小的通信開銷、較低的時延達到期望可靠性，但忽略了節點能耗和鏈路質量問題。文獻[6]根據文獻[4]的標準模型，建立冗余路徑算法，降低了時延和能耗，提高了可靠性。但沒有考慮較為苛刻環境下的無線干擾問題。

圖2是利用標準IEEE 802.15.4無線網進行測試所得丟包率數據和網絡能耗信息。從圖2（a）可以看出，隨著發射功率的增大，丟包率隨之降低，因此需要針對鐵路環境的具體狀況設置相應的發射功率及休眠時間，從而提高網絡節點的能量利用率；圖2（b）是網絡生命周期隨數據發送頻率變化的趨勢圖，從中可以看出，隨著數據發送頻率降低，網絡生存周期相應變長，因此網絡節點能耗優化對網絡生命周期和數據傳輸路徑規劃影響極大。

2 模型優化及路徑選擇

根據實驗和網絡標準分析，可建立能耗和可靠性模型進行路徑規劃選擇。REER協議[6]提出一種多路徑路由協議，在路徑建立階段，利用代價方程綜合考慮節點的剩余能量、節點可用緩沖區大小以及信噪比，選擇最佳的下一跳節點。

本文基于IEEE 802.15.4無線網控制模式，結合IEEE802.15.4網絡特性，將Iinterference，xy替換為IEEE802.15.4網絡中RSLx，y進行計算，忽略節點緩沖區因素得出單跳代價方程（2）：

根據單跳代價公式，通過累加得出單條成功通信路徑的總代價，見式（3）。根據IEEE802.15.4網絡特性，每個節點至少會形成兩條上傳路徑，當前傳輸路徑遇阻后，數據包隨即切換到備用路徑。為防止循環路徑產生，本文首先加入節點分層設計，層次由加入網絡的先后順序進行規劃，然后基于得出的代價模型進行通信路徑劃分，通過多條路徑同時傳輸，增加原始數據成功傳輸到目的節點的可靠性。

3 算法實現

3.1 算法流程

基于IEEE802.15.4無線傳感網絡特性，網絡管理由基站程序統一實現，此設計方案擁有兩方面優勢：①可減少因單個節點故障帶來的通信失敗概率；②可減少節點的計算能耗開銷[9]。算法分網絡信息初始化、路徑優先級劃分以及數據的探測傳輸3部分實現，如圖3所示。

（1）網絡信息初始化。基站與附近節點通信時，探測節點的能耗及其相鄰節點之間的信噪比信息，由基站按照TDMA分配連接時隙等通信資源。基站遠方節點依靠與網關連接的節點進行中繼通信，向網關發送能耗以及周圍信噪比信息，網關同時循環分配通信資源，劃分節點層次。以此類推，直到網絡所有節點都獲取穩定的通信資源。

（2）路徑優先級劃分。基站獲取初始信息后，根據剩余能量和傳輸節點間的RSL，計算各條路徑通信代價，并根據通信代價進行路徑優先級劃分，得出數據傳輸的優先路徑。首先設定優先數據通信代價區間，然后根據得到的通信代價進行歸類。代價值越大，路徑的優先級越高，最終級別的優先層次數由整個網絡的規模決定。

（3）數據探測傳輸。傳輸路徑探測規劃完成后，即對數據進行節點的逐跳傳輸。路徑遇阻后立即切換到次優路線傳輸，直至數據成功傳輸到Sink節點或基站。

3.2 應用模型

貨運列車編解組頻繁，本模型利用IEEE802.15.4無線傳感可靈活自組特性[10]，快速實現網絡自組以及修復。所有傳感節點按照線型分布于各車廂，根據算法模型進行規劃組網。應用模型如圖4所示。

（1）基站可部署于列車頭部車廂，節點分別部署于各車廂通信環境較好部位，整個網絡成線型分布，網絡節點的層次根據初始化信息劃分。

（2）根據我國貨運列車制造標準，車廂平均長度≤13m，本文設計網路中單個節點高可靠通信距離≥100m[11]，每個節點可至少覆蓋前后兩節車廂，形成至少兩條通信路徑，如圖4中B1可通過A1與基站通信，也可直接與基站建立連接。

（3）根據（1）、（2）中的部署要點以及網絡特性，結合本文改進算法模型，可進行網絡自組以及通信，快速實現對整個列車運行狀態的監測。

4 仿真結果與分析

結合本文優化后的算法模型，使用MATLAB仿真工具評估改進后的算法性能。為提高本文算法的可行性，根據標準IEEE802.15.4無線傳感網測得的實際功耗數據（見表1）進行相關仿真參數設置（α，β為仿真過程中得出的最優解），并與傳統的基于leach協議線型無線傳感網絡進行對比分析。

仿真實驗結果如圖5、圖6所示。圖5是傳感節點隨通信進行的輪數剩余能量的平均情況對比，從中可以看出本文優化算法在節點能量消耗方面明顯小于基于leach協議改進的線型算法；圖6是在較低RSL（鏈路可靠度）情況下，隨網絡節點增加的成功收包率趨勢對比圖，從中可以看出優化算法在10個節點內無優勢，在大于10個節點后優勢顯現。綜合以上仿真結果可知，基于REER優化后的算法模型在降低功耗、提高可靠性方面具有一定的優勢。

5 結語

本文針對傳統貨運列車線型無線監測網絡需求，以及現有工業無線傳感能耗不均、可靠性低等問題，結合IEEE802.15.4無線傳感網優勢，對REER無線傳感網路徑選擇算法進行優化。仿真結果表明，優化后的算法可降低傳感網能耗，提高網絡生命周期。與傳統leach線型無線傳感網相比，在可靠性傳輸等方面具有較大優勢。本文的線型高可靠無線傳感網模型可拓展到如智慧城市中井蓋狀態監測、能源建設的管道狀態監測等線型應用場景中。

參考文獻：

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（責任編輯：杜能鋼）